CDIO模式下的“系统工程”教学改革研究

陈平

摘要：CDIO是美国麻省理工学院工程教育的一种经典模式，该模式强调工程教育应当关注实践，以科技为基础，将教育过程置身系统生命周期的具体情境中，以培养新一代高水平工程师为目标。“系统工程”作为工程管理专业的专业基础课程，其本身的教学目的在于帮助学生建立系统的分析思想并掌握具体的分析方法。以往的“系统工程”教学中采用的是理论教学和填鸭式教学方法，教学效果大打折扣。近几年，以CDIO模式为指导思想，充分发挥其做中学，提高实践的内涵，对该门课程进行教学改革研究逐渐地进入人们的视野，以期对学校的应用型人才培养的目标做出贡献。

关键词：CDIO；系统工程；课程内容；教学方法

中图分类号：G642.0

文献标志码：A

文章编号：1001-7836（2015）03-0060-04

一、“CDIO”工程教育模式概述

“CDIO”是“构思”（Conceive）、“设计”（Design）、“实施”（Implement）、“运行”（Operate）四个单词的缩写。2001年，由美国麻省理工学院联合瑞典的查尔姆斯技术大学、林克平大学以及皇家技术学院等3所高校共同开发出该种全新的工程教育理念和实施体系。CDIO中，“构思”包括顾客需求分析，技术、企业战略和规章制度设计，发展理念、技术程序和商业计划制订；“设计”主要包括工程计划、图纸设计以及实施方案设计等；“实施”特指将设计方案转化为产品的过程，包括制造、解码、测试以及设计方案的确认；“运行”则主要是通过投入实施的产品对前期程序进行评估的过程，包括对系统的修订、改进和淘汰等。CDIO工程教育模式的灵感来源于工程产品的全生命周期，其注重培养学生掌握扎实的工程基础理论和专业知识，并在此基础上将教育过程放到工程领域的具体情境中，通过贯穿整个人才培养过程的团队设计和创新实践训练，培养专业基础扎实、职业道德高尚的新一代高水平工程师。实现高等教育与工程实践培训的有机结合，在不断加强基础理论学习的基础上，向关注工程实践回归，是该模式的一个非常显著的特征。

二、“系统工程”教学现状

由于“系统工程”的应用范围非常广泛，它囊括了社会、经济、自然科学、工程科学等各个方面，因此世界各国尤其是经济越发达的国家越重视“系统工程”的教育，因此“系统工程”不仅是经济管理相关专业的专业基础课，也是其他工科、理科的专业基础课。“系统工程”是一门综合性的管理工程技术，它的发展离不开现代科学技术的高度发展。其以大规模复杂系统，特别是管理系统和社会系统为研究对象，是在“系统论”“管理学”及其“运筹学”等学科基础上形成的一门交叉学科。

（一）课程简介与培养目标

“系统工程”以系统为研究对象，是规划、设计、制造、试验和控制运行系统的一种科学技术，是把多种学科技术和学科有机结合在一起的一门学科。“系统工程”课程是我国高等学校经济管理类专业的一门专业基础课程，具有跨学科应用、研究对象广泛和多种方法结合分析等特点。该课程在多种理论思想指导下，以大型复杂系统为研究对象，通过对“系统工程”基本知识的介绍，使学生对“系统工程”研究问题的基本方法和技巧有一个初步的认识，了解系统管理的思想，能够运用系统的思维方式分析问题，运用所学知识、观点和方法去解决实际问题，从整体观念出发探求活动的最优计划、最优组织、最优控制和最优方案，使系统发挥出整体优化功能，以获得最佳经济效益和社会效益。其主要的培养目标有：

1 知识培养目标

理解系统和系统工程的基本概念并知道系统工程应用的主要领域，了解系统工程发展的最新动态和前沿问题，掌握系统工程的若干个优化方法。

2 能力培养目标

利用系统工程的思想与优化方法技术解决企业或组织的复杂问题，实现企业或组织的资源优化，让学生成长为具有较高综合素质的高层次应用型人才。

（二）课程教学内容安排

“系统工程”课程要求学生了解系统和系统工程的基本概念，学习系统工程的基本思想，会用系统工程的思想去看待问题、认识问题并解决问题；掌握系统工程一些比较常用的、重要的方法，如：ISM建模技术、层次分析法、多阶段决策树法、网络计划技术等；应用所学系统工程的思想和方法解决工程、经济乃至社会等的复杂系统问题。在知识以及能力培养目标的基础上，“系统工程”课程形成了三大板块，分别是系统科学理论基础、工程技术经济分析和系统优化分析，并以三大板块为核心设计课程体系和教学保障制度。具体的教学内容安排如下：

第一板块：系统科学理论基础。该部分主要介绍系统思维方法和系统工程的原则、特点等内容。具体包含了系统科学方法论与系统的内涵、系统科学与系统工程的内涵、系统建模与系统分析的内涵。该部分主要培养学生如何使用系统意识、思维和方法看待问题、分析问题。

第二板块：工程技术经济分析。该部分主要介绍组织要素组合优化和成本利润分析，具体包括投入产出分析、组织要素投入、经济规模、技术进入与生产函数的关系等，该部分主要培养学生将经济管理知识和工程技术综合起来的应用能力。

第三板块：系统优化分析。该部分主要介绍如何解决复杂经济社会系统问题所使用的技术手段和方法，具体包括系统建模、系统评价、系统设计、系统预测和系统决策等多个方面的内容，具体的方法涉及到ISM建模技术、层次分析法、网络计划技术等。该部分主要培养学生用以解决复杂问题的逻辑能力和应用创新的能力。

三、“系统工程”教学中存在的问题

在教学过程中，通过对学习该课程的学生和讲授该课程的教师进行调研，发现学生能够对该课程产生浓厚的学习兴趣，但在教学过程中也存在很多问题，影响了课堂教学的效果和质量。

第一，部分学校的学生由于其学科相应的基础学的不够或学的不扎实，如很多学校在招生时要求是文科并且就读大学后没有学习“线性代数”等工程数学，所以导致大部分学生在学习“系统工程”时对于其大量的计算过程感到非常吃力。

第二，学生在学习过程中形而上学，将所学内容表面化，没有完全形成“系统、联系”的观点，在进行系统分析时，往往不能全面地将相关因素有机地、综合地联系在一起。

第三，计算机软件的辅助功能没有得到充分利用。教学过程中老师注重系统分析的原理及方法，却忽略了当今社会在实际应用的过程中多数使用的是相应的计算机软件，如此就缺少了相应的实践环节，造成了理论与实践的脱节。

第四，教学方法不够灵活，很多老师上课时采用单一的授课方式，影响了学生的学习兴趣，并进一步妨碍学生创新能力的发挥。

第五，考核方式过于单一。很多学校对该门课程的考试方式为考试课，并在期末考试时通过试卷的形式进行考核。这种方式对实践的考核不够重视并直接导致学生过分注重抽象理论的来龙去脉，与实践脱节。

四、CDIO模式下对“系统工程”教学改革的探讨

（一）教学内容的改革

考虑到学院课程教学改革的实际情况，从坚持发挥优势，突出专业特色的原则出发，坚持以学定教，制定新的教学内容。

根据学生的基础学科的掌握程度和接受能力将该课程理论教学精简为两大部分，第一部分主要介绍系统的思维方式和系统工程处理问题的思维方式，包括系统科学方法论与系统工程的基本理论、系统工程的基本方法、模型化等系统工程的基本思想、基本理论和基本方法。该部分主要为学生提供正确的思维方法服务。第二部分为解决工程实践问题提供定量分析的技术措施。通过系统工程的教学培养，对于提升学生的分析问题、解决问题的能力至关重要，还可以训练培养学生严谨求实的科学态度，缜密清晰的逻辑思维，甚至对学生正确世界观、人生观的形成也是大有裨益。

（二）教学方法的改革

以前，教师采用上课一直讲到下课的填鸭式教学方式，学生只能被动地接受知识，缺乏主动思考的时间，最后导致学生只能死记硬背，甚至出现张冠李戴。这和现在的大学教育普遍存在的“学生上课记笔记，课后理笔记，考前背笔记，考完就忘记”的现象是一致的。这说明学生没有将知识隐化，隐化的知识是学生真正地靠自己的理解掌握的知识，是难以忘却的。许多抽象的教学内容只是一味地听老师讲解，理解起来就非常困难，但只要老师要求学生亲手体验一下，或实地考察一下，或教师在课堂上演示一下，立即就理解了，而且记忆深刻，真正地形成学生自己的隐性知识。通过长期的教学实践，笔者发现单纯的知识传授使学生在教学活动中很被动，学生会感到上课非常单调乏味从而容易疲劳、开小差，更有甚者干脆不来上课。长此以往，学生的求知欲望和热情就被压抑了，无法达到教师预期的教学效果。而引入CDIO这种模式是对传统教育理论的革新，是传统教育观念的一次重大进步，它能改变学生单向地被动地接受知识的状况，从而改变了教与学的关系。

在教学方法上，CDIO教育模式要求教师特别强调实践中相关知识和能力的有机联系；从实际或已有的知识中发现并提出问题，引导学生主动思考，引导学生主动学习，强调发现问题、分析问题并解决问题能力的培养，要求学生应用所学知识探究规律并致力于创新；教师需要安排丰富的设计性和综合性实验，为学生提供更多的实践机会，通过实践加深对所学理论知识的理解和应用；同时建立和加强合理的学习反馈机制，以便教师能够及时了解学生的学习进度和知识掌握水平。

（三）考核方法的改革

以往的课程成绩是以最后的卷面成绩为主导的，本门课程应加大平时成绩的比例，在平时授课时由于要求加入实践环节，故学生平时需要完成的作业量还是非常大的。在留作业时，分为个人作业和小组作业。

其中个人作业注意强调前后作业的连贯性，让学生在做作业时就体会到工程的生命周期的内涵和意义；而小组作业更加强调的是团队的合作和头脑风暴的冲突，强调设计与创新，在分配小组成员时，注意每组成员不要出现一人独大的局面，那样只会让学生唱独角戏进而导致其他成员搭蹭车，要充分调动小组里每一个成员的积极性。同时，老师在指导学生完成作业时注意自己的语气与态度，要充分尊重学生的想法。要在实践中向学生证明，任何学习层面、任何基础的学生都可以对工程和科技的发展做出自己的贡献，学生并非一定要等到毕业之后参加工作才可以获得直接的工程经验。要注意的是，小组作业每周都要向教师汇报本组在该阶段取得的成果，下周的目标以及实现目标的具体计划。这样做不仅有利于督促学生在规定的时间内较好地完成任务，而且有利于学生养成做计划的良好学习习惯。

在评价作业成绩时，要采取类似人力资源管理中的360度考核方法，既要考查学生本次作业的完成情况，也要考查学生是否有进步，同时要做到小组成员互评，这样学生在完成作业的同时也会感受到CDIO模式下所强调的社交能力的重要性。

五、以2011级、2012级工程管理专业学生为样本的改革效果分析

（一）数据分析假设

笔者认为CDIO期望达到以下目标：①能增强学生的自主学习能力；②能提高学生的数学成绩；③能提高学生的学习动机；④能促进学生灵活运用学习方法；⑤促使学生对学习时间更有效、合理的利用；⑥能提高学生对自己学习结果的预期、总结、评价、强化；⑦提高学生对社会性环境和物质性环境的控制和利用；⑧能提高学生对学习内容的选择；⑨能提高学生对学习过程的控制。

（二）实验设计模式与统计方法

采用单因素分层组实验设计。自变量是基于CDIO模式的教学模型，因变量是学生的数学成绩、自主学习能力（包含：学习动机、学习内容、学习时间、学习方法、学习过程、学习结果、学习环境七个方面的二级因变量）。具体操作法是：将学生按自主学习能力分为中上、中等、中下三个层次，每个层次又分为实验组和对照组，通过实验处理，排除实验因素的干扰，去探究实验因素对不同学业水平的学生在数学成绩和自主学习能力等方面的实际效果是否显著，根据实验的具体条件进行Z检验或t检验。

（三）部分检验结果展示

基于CDIO教学模型的教学实验研究以学生学习模型与教师教学模型为自变量，以学生的学习动机、学习方法、学习时间、学习结果、学习环境（社会性环境、物资性环境）、学习内容、学习过程，以及学生的学习成绩和学习自主性为因变量展开研究，经过一个学期的教学实验研究，实验结果如下：

1 实验班与对照班在实验前后的学习环境测试结果

表1的信息显示：基于CDIO教学模型而展开的教学活动的实验组学生，在学习环境方面差异水平显著性检验中，实验前后平均数差异检验仅在整体水平、中上这两个水平上达到了显著性水平。其具体表现为，在实验前后平均数差异检验中，中上水平学生t=2.714，P<0.05，达到0.05显著水平；整体实验组学生Z=2.667，P<0.05，达到0.05显著水平。中等水平和中下水平组的平均数差异检验表现出特异情况，即中等水平学生t=0.778，P>0.05，没有达到0.05显著水平；中下水平学生t=1.435，P>0.05，没有达到0.05显著水平。在实验组与对照组平均数差异检验中，仅在整体水平达到了显著性水平，但中上水平组学生、中等水平组学生和中下水平组学生在实验组与对照组的平均数差异检验中也未达到显著性水平。其具体表现为，中上水平学生t=1.933，P>0.05，没有达到0.05显著水平；中等水平学生t=1.380，P>0.05，没有达到0.05显著水平；中下水平学生t=0.495，P>0.05，没有达到0.05显著水平；整体实验组学生Z=2.026，P<0.05，达到了0.05显著水平；这说明遵循基于自主学习的交互式教学模型而开展的教学活动，有助于提高学生的选择学习环境的能力，特别是对中上水平的学生的学习更具实效性。同时也说明，遵循基于CDIO教学模型开展的教学活动对改善中等水平组和中下水平组学生的学习环境选择的能力并不理想。

2 实验班与对照班在实验前后的学习结果测试结果

表2的信息显示：基于CDIO教学模型而展开的教学活动的实验组学生，在数学学习成绩方面差异水平显著性检验中，实验前后平均数差异检验在整体水平、中上和中等这三个水平上都达到了显著性水平。其具体表现为，在实验前后平均数差异检验中，中上水平学生t=2.858，P<0.05，达到0.05显著水平；中等水平学生t=2.193，P<0.05，达到0.05显著水平；整体实验组学生Z=2.980，P<0.01，达到0.01显著水平；但中下水平组的平均数差异检验表现出特异情况，即t=1.924，P>0.05，没有达到0.05显著水平。在实验组与对照组平均数差异检验中，在整体水平、中上水平和中等水平中均达到了显著性水平，但中下水平组在实验组与对照组的平均数差异检验中也未达到显著性水平。其具体表现为，中上等水平学生t=2.436，P<0.05，达到0.05显著水平；中等水平学生t=3.059，P<0.01，达到了0.01显著水平；整体实验组学生Z=3.496，P<0.01，达到了0.01显著水平；中下水平学生t=0.460，P>0.05，没有达到0.05显著水平。这说明遵循基于自主学习的交互式教学模型而开展的教学活动，有助于提高学生的学习结果，特别是对中上水平和中等水平的学生的学习更具实效性。同时也说明，遵循基于CDIO教学模型开展的教学活动对改变中下水平组学生的学习结果并不理想。

（四）进一步改进的途径

CDIO工程教育注重实践的融入，同时注重培养职业道德与诚信，强调做人与做事相结合，做人通过做事体现，做事通过做人保证，并在培养过程中注重人文精神的熏陶，从而使培养出的大学生具备优秀的职业道德、正直、富有责任感、具有较强的创新能力、较强的团队精神和领导能力、较强的沟通能力。要将CDIO模式成功地引入到学院日常的工程教育中还需假以时日，更需要作为一线教师的我们不断地去尝试。

1 加大平时成绩的比重

很多学生由于分数和他们的获奖资格直接挂钩，所以会忽略平时学习的过程，而直接关注最后的课程成绩。CDIO教育模式强调更多的是平时学习过程中点滴的融会贯通。所以，加大平时成绩的比重，会让学生更加重视平时学习的过程。

2 加强作业的项目完整性

作业的完整性不足容易降低学生的学习积极性。美国哈克曼教授曾经提出的工作的五个核心工作特征激励度中就指出：技能完整性、任务完整性、任务重要性、自主性和反馈性是非常关键的五个心理状态。学生在CDIO模式下学习，自主性和反馈性是首先被要求做到的，而任务重要性可以通过提高平时分来做到，那么剩下的技能完整性和任务完整性就是教师在布置作业时必须注意加强的事项了。

六、结论

CDIO教育模式是培养卓越工程师理念的一种具体体现，要求将工程实践的理念贯彻到工程教育的过程当中。将“系统工程”课程的教学内容和教学方法按照CDIO模式进行改革后，起到了很好的效果，尤其是针对中上等学生，其成绩及学习自主性都有不同程度的提高，但对于中下等学生来说效果并不十分明显，故对于承担教学任务的一线教师来说，如何进一步贯彻CDIO模式的教育理念，进一步提高学生的学习效果是需要我们继续不断努力钻研的课题。

（责任编辑：侯秀梅）